研發報告詳細內容

俄歇機制引起LED發光效率的降低

2011-9-6

理論學者揭示是俄歇機制引起LED發光效率的降低

      來自美國加州大學Santa Barbara分校(UCSB)的chris Van de Walle團隊,通過計算發現兩種形式的間接俄歇複合機制是引起LED發光效率降低的主要原因。

      LED發光效率降低是指在高驅動電流條件下LED器件發光效率降低的現象,許多研究者集中地討論了導致LED發光效率降低的原因,一部分認為是俄歇機制所致,而另外一部分人則認為是由其它理論機制所致。

       在俄歇機制專題討論會上,與會者激烈討論的話題是究竟以哪種確切的俄歇複合形式來描述LED發光效率降低問題。來自美國UCSB大學的C. Walle團隊目前宣稱他們已經發現了引起LED發光效率降低問題的真正原因:這種間接俄歇複合是由電子的聲子散射和合金散射所共同導致的。

      在2007年末, Philips Lumileds公司的研究者們首次宣稱俄歇複合是引起LED發光效率降低的主要原因,他們的這一主張是基於對光致發光的測量結果,C. Walle團隊工作是在這一基礎上做出的進一步努力。然而,來自美國Arizona大學由J. Hader帶領的理論研究團隊卻對這一俄歇機制解釋持懷疑態度。在2009年初,他們在計算標準俄歇過程──直接帶內俄歇複合時,發現其計算結果遠不足以來解釋這種LED發光效率的降低問題。

      而在2009年晚些時候,C. Walle團隊就曾指出,電子經帶間躍遷到第二導帶這一過程在LED發光效率降低問題中扮有十分重要的角色。然而,該過程只對一個小的InGaN組分範圍才顯得重要,它並不能解釋LED在大跨度波長範圍內的發光效率降低現象。

      最近,UCSB大學團隊已經計算了由散射機制所致間接複合的俄歇係數,散射會提供額外的動能,使得俄歇躍遷可在更廣範圍的終態間進行。

      

      

      根據UCSB大學的計算結果,氮化物LED中最大俄歇係數來自於聲(子)助“空穴-空穴-電子”過程,在圖中標識為“Cp,phonon”。

      

      理論家們已發現在氮化物材料中電子-聲子的相互作用較強,這是由於氮的2p軌道所致。C. Walle解釋道:“在磷化物、砷化物和銻化物材料中,總有另外一個p型軌道的能量低於成鍵p軌道的能量,所以參與成鍵的電子可以看作是一個遮罩原子核的電荷”。“與此相反,含有2p軌道成鍵的氮原子就可以看作為其原子核電勢未得到遮罩”,這就使得鍵能對氮原子核的確切位置將非常敏感。

      C. Walle和他的同事還計算了由合金散射引起間接俄歇複合的強度。他們採用一個有32個原子組成的元胞,其中包括12個鎵原子,4個銦原子和12個氮原子來進行上述計算,進行這樣的原子數量組合是為了複製出完全隨機的合金近程結構。C. Walle說:“採用一個由32個原子組成的元胞能最大可能地來代表一個“隨機”的合金結構” 。

      由電子-聲子相互作用和合金散射所促成的俄歇機制間的關係曲線如圖所示,該曲線是採用密度泛函理論(局部密度近似和平面波贗勢方法)進行基本原理計算而得到的。

      該圖表明,隨著InGaN禁帶寬度從紫光變到綠光時,間接俄歇係數將會變大三倍。根據C. Walle的理論,這已可以部分地解釋了“綠光帶隙”現象,即波長在530nm到580nm之間LED的發光效率將非常之低。

      然而,他說形成該帶隙的部分原因是由於工作于更長波長氮化物LED中的量子阱厚度減小所致。

      減小量子阱的厚度可以對應變的增大以及位錯的形成產生補償。C. Walle說:“然而,對一個給定的載流子密度,隨著參與複合的載流子密度上升,與輻射複合相比,俄歇複合將更為重要”

      此外,C. Walle認為,隨著氮化物LED應用被推向了更長的波長,極化場的增大也會導致發光效率降低的問題,因為強極化場會分離電子和空穴,從而降低了輻射複合的效率。他同時還指出,如沒有足夠的空穴注入到多重量子阱中,就會導致器件P區一側有源區內的載流子趨向於位置局域化,這就增加了實際參與俄歇複合的載流子密度,增大了俄歇複合與輻射複合的比值。

      自義大利Politecnico di Torino的理論學家M. Goano以及來自同屬於Boston大學和 Francesco Bertazzi這兩個機構的理論學家E. Bellotti,卻對UCSB大學團隊的理論方法提出了質疑。他們的質疑主要是有關在用能帶插值法來尋找銦的組分時,發現帶隙與第一、二導帶間的禁帶之間存在著共振現象。

      而C. Walle解釋道:“我們的工作並沒有要利用這種共振現象,這是由於電子-聲子耦合和合金無序散射的載流子將會遍及整個Brilloin區。”

      C. Walle認為要解決LED發光效率降低問題的關鍵是在於減少參與俄歇複合的載流子密度。他說:“要做到這一點,需要將量子阱做得更厚一些,並且將其擴展至一個更大的體積中,或者是採用非極性或半極性的生長取向來提高整體的複合,減少實際產生俄歇複合的載流子密度。”

      E. Kiopakis et al. Appl. Phys Lett. 98 161107 (2011)

      


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